黃土地區高速公路鋼波紋管涵應用技術研究

李騰云

(中鐵三局集團有限公司，山西太原 030001)

1 應用現狀

在公路施工中，應用鋼波紋管涵代替鋼筋混凝土涵洞進行施工的歷史已經有100多年了。1896年，美國率先進行波紋管涵通道、涵管的可行性研究。其后，在美國、加拿大、澳大利亞等國的公路建設中，均采用了鋼波紋管涵進行涵洞的施工。1990年，日本高速公路設計，規范制定了波紋管涵設計技術規范。隨著波紋管涵在世界各地的安裝使用，證明了此種結構在各種使用情況下的通用性。在我國改革開放后，深圳及大同煤礦開始從國外進口成品波紋管涵進行涵洞施工。之后，上海市公路管理處、上海市政工程設計研究院、上海同濟大學對金屬波紋管涵進行了動、靜載試驗，結果表明能滿足設計使用要求，填補了國內的空白，且迅速得到推廣應用。

目前鋼波紋管涵洞在我國西部嚴寒地區已逐步得到推廣應用，相信隨著對結構耐久性認識的逐步提高，以及有關鋼波紋管涵的設計、施工規范的逐步完善，鋼波紋管涵在公路或其他工程中將具有更廣闊的應用前景。

波紋鋼管是一種撓性、薄壁、有橫向波紋的管殼零件。它既有彈性特性又有密封特性，在外力及力矩作用下能產生軸向、角向、側向及組合位移，密封性能好。

鋼波紋管涵洞不僅具有優良的適應地基與基礎變形的能力(用于解決因地基基礎不均勻沉降導致的涵洞破壞問題)，而且具有自重輕、運輸方便、施工簡單且施工工期短、造價低、耐久性好、對地基擾動小、對基礎要求較低等優點，還具較強的抗拉、抗剪和抗疲勞能力，故其具有較為廣泛的應用前景。尤其應用在高寒凍土地區、高填土路基、V字形U字形深溝、軟土路基地帶，具有明顯的經濟效益。

2 工程實例——霍永高速公路西段鋼波紋管涵應用情況

2.1 工程特點

霍永高速公路西段地處山西省西部的黃土高原，路線范圍內黃土地貌主要以黃土塬、梁、溝谷的形式發育。地面起伏較大，地形破碎，V形溝眾多，沿線部分高填深挖路段涵洞因地形限制及相鄰控制性工程施工干擾，難以形成施工作業面，影響總體工期進度。同時由于該地區濕陷性黃土分布較廣，容易發生黃土路基工后不均勻沉降，破壞鋼筋混凝土涵洞主體結構，形成變形、滲漏等鋼筋混凝土涵洞常見病害。為此，經五方現場實地勘測，共同決定霍永高速公路西段K96+919等6座涵洞采用鋼波紋管涵形式施工。

2.2 技術標準

2.2.1 標準規范

1)波形鋼板原材料采用低碳鋼，應符合GB/T 699和GB/T 700的要求。波形鋼板原材料的化學成分應符合表1的規定，并應進行熱浸鍍鋅。

表1 波形鋼板原材料的化學成分要求

2)波形鋼板的物理性能符合表2規定。

表2 波形鋼板的物理性能

3)各部尺寸允許偏差見表3。

表3 管涵允許偏差

4)波形鋼板的外觀質量。

波形鋼板的外觀質量除應滿足GB/76725外，還應符合表4的規定JT/T 710-2010。

表4 波形鋼板的外觀質量

2.2.2 設計指標

鋼波紋管設計主要技術參數見表5。

鋼波紋管設計參數示意圖見圖1。

所采用的材質為Q235-A熱板，表面采用熱浸鍍鋅防腐處理，鍍鋅量平均厚度不小于84 μm。連接方式采用法蘭連接、高強螺栓緊固、石棉墊密封。

表5 主要技術參數表

圖1 鋼波紋管設計參數示意圖

2.3 施工工藝

施工工藝如下:

測量放線→挖(填)基→灰土換填→基礎墊層填筑→成品檢測、驗收→管身安裝→端墻施工→洞口鋪砌及八字墻(跌水井)施工→涵背回填。

2.3.1 測量放線

根據設計施工圖用全站儀放出涵洞縱、橫軸線，埋設護樁作為施工中的控制軸線。如護樁被碰動，在下一工序開始前，重新復核中心軸線和標高。

2.3.2 基坑開挖

1)基坑開挖:基坑由機械開挖，底高程預留20 cm，留待人工清理，避免機械擾動基底。

2)基坑的開挖坡度以保證邊坡的穩定為原則，由于現場開挖深度在5.5 m左右，開挖過程按1∶0.5坡比放坡，底部預留1 m施工面。在基坑頂面設置截水溝，防止地面水流入基坑。

3)基底回填:半填半挖或填方路段按填方路基施工要求，開挖臺階分層回填，回填至涵底標高后再進行開挖基坑。

4)基坑開挖完成后進行自檢，自檢合格后報請監理工程師驗收基坑?；域炇諔媳?要求。

表6 基坑驗收要求

2.3.3 灰土換填

1)灰土配比。

灰土體積比設計為3∶7，土采用開槽土，土塊粒徑不大于15 mm，石灰采用生石灰，現場，石灰要求同產地，同品種，同規格，灰土施工時，嚴格控制灰土含水率。

2)填筑、碾壓。

灰土換填應分層填筑，分層碾壓。每層虛鋪厚度應控制在20 cm以內，壓實厚度應控制在15 cm。碾壓采用壓路機靜壓壓實，邊角部位采用小型夯機夯實，確保碾壓達到無漏壓，無死角，碾壓均勻，直至滿足設計要求為止。碾壓完成經自檢人員自檢合格后(壓實度控制在93%以上)，報請監理工程師驗收，驗收合格后方可進行下層填筑。

3)灰土養生。

灰土換填每層施工完畢后，采用土工布覆蓋，設置專人負責灑水養生，養生期7 d以上，并保持一定濕度。

4)基礎砂礫墊層施工。

基礎鋪設0.5 m厚砂礫墊層，砂礫墊層分兩層填筑、分層壓實，夯實緊密后方可安裝。

5)成品檢測、驗收計算。

鋼波紋管需要由鋼波紋管供貨方提供結構安全，計算書和質量保證書，波形鋼管原材料符合JT/T 710-2008 6.1.1和6.1.2的要求，波形鋼板的物理性能應符合JT/T 710-2008 6.1.3的規定。

6)管身安裝。

鋼波紋管涵洞由波紋管生產廠家配備專業人員進行施工安裝。

a.安裝前準備。備齊安裝工具及所需配件:梅花扳手(16—18和22—24)、活口扳手、小撬棍(φ16 mm長度50 cm左右的圓鋼)、撬杠(φ50 mm長度1.8 m左右的鋼管)、手錘、鑿子、螺絲刀(一字形)、千斤頂、高強螺栓及橡膠石棉墊、綁絲0.5 kg。

b.金屬波紋管安裝前，檢查底部基礎軸線偏位、中心點位、平整度、標高、預拱度等技術指標，合格后進行管身安裝。

c.連接安裝波紋管:涵管安裝時從一側排放第一根管節，使其管子中心和基礎縱向中心線平行，支墊牢固后放置第二根管節，相鄰兩管節法蘭間相距3 cm～5 cm的縫隙時，用小撬棍對準法蘭上的螺栓孔，使其兩根管法蘭上的螺栓孔對正，這時從第二節管的另一端用撬杠撬動管節，使其縱向平移，使兩法蘭間距在2 cm左右，然后全部穿上高強螺栓，擰上螺帽，鑲嵌石棉墊，高強螺栓緊固至法蘭間縫隙不大于5 mm。依此方式逐節安裝。

d.鑲石棉墊:由于現場地勢等原因，有時相鄰兩法蘭之間間距較小，這時用手錘、鑿子把兩法蘭之間鑿開大約1 cm的縫隙，用螺絲刀把石棉墊鑲在兩法蘭之間，有時管子頂部兩法蘭間距較大，石棉墊鑲嵌困難，用綁絲把石棉墊綁在螺栓上固定，然后工人開始對稱鎖緊螺絲，直至兩法蘭之間只有2 mm～5 mm的縫隙即可。

e.管壁內外涂瀝青:乳化瀝青或熱瀝青兩道，一般瀝青涂層的厚度要達到1 mm，從外觀看管壁內外均勻的涂成了黑管。

f.管涵施工應符合表7要求。

表7 管涵施工要求

7)附屬工程施工。

波紋管管涵洞口形式采用直管延長式等。對于有流水沖刷的涵洞，進出口處溝床和涵洞兩端處，按設計圖紙進水口設混凝土滴井，連接路基側溝以及隧道洞口排水，有效的將高差比較大的溝壑流水引至涵洞內。施工中應注意:a.砂漿要嚴格按配合比拌和，標號M7.5，拌和時間不少于2 min，拌和均勻。b.砌筑時砌塊錯縫，坐漿擠密，嵌緊后砂漿飽滿無空洞現象。c.外圈定位和轉角處，選擇形狀方正、較大的片石，并長短相向與里層片石咬接。d.較大的片石用于下層，砌筑時選擇形狀和尺寸較為合適的片石，敲除尖銳凸出部分，不得用高于砂漿砌縫的小石塊在下面支墊。

8)涵背回填。

a.涵背回填料采用級配砂礫回填。

b.管涵兩側回填應對稱施工，分層回填，每層厚度不大于20 cm。

c.管涵兩側50 cm范圍內采用小型機械夯實，50 cm范圍內采用壓路機壓實，管底下方粗砂用“水密法”振蕩器振實或采用截面15 cm×15 cm的木棒夯實。

d.管涵上方填土時，管內設置一排豎向和橫向十字臨時支撐，防止其在填土過程中產生變形。管內臨時支撐應在填土不再下沉后方可拆除。

2.4 沉降變形觀測

為有效跟蹤研究鋼波紋管涵洞在施工過程中及工后隨路基沉降而發生發展的變形過程，現場聘請第三方檢測機構對已施工4座鋼波紋管涵洞均進行了沉降變形觀測。每個涵洞分別在進口、涵中心及出口設計1個觀測斷面。觀測頻率為涵背回填期間1次/d，通過觀測，管內十字臨時支撐對控制管體自身變形有很好的作用，鋼波紋管管體變形極小，不影響涵管防滲水功能。

涵洞回填完成后，涵管沉降主要為隨路基整體沉降和局部不均勻沉降而發生的彎曲變形。觀測頻率為涵背回填期間1次/7 d，通過現場涵洞施工完成后7月～12月底共計約6個月的沉降觀測，涵洞最大沉降為2.6 cm。此時涵身管節法蘭連接處最大縫隙為5 mm，與沉降觀測初期相比未發生明顯變化，分析原因為波紋管的軸向位移大于普通圓管，表現出波紋管具有軸向補償位移的功能，保證了管節法蘭連接處可以滿足防水要求。具體沉降觀測結果見表8。

表8 沉降觀測結果

3 技術經濟比較

3.1 縮短施工工期

根據霍永高速公路西段工程進度報表分析，在不同的設計孔徑、相似的施工條件、同樣的施工班組施工的情況下，不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工工期比較結果見表9。

表9 不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工工期比較結果

通過比較，由于鋼筋混凝土蓋板涵因混凝土養護并形成強度需要一定時間，而采用鋼波紋管涵則不需要等待涵身形成強度。且部分鋼筋混凝土蓋板涵可能因蓋板預制不及時等因素在一定程度上影響到涵洞施工工期。因此，通常情況下，采用鋼波紋管涵比采用鋼筋混凝土涵洞約可以縮短近一半的施工工期是可能的。

3.2 工程造價適宜

根據霍永高速公路西段工程造價分析，在同樣的填高、同樣的施工班組施工的情況下，不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工造價比較結果見表10。

表10 不同混凝土板涵與鋼波紋管涵施工造價比較結果

根據霍永高速公路西段6座混凝土蓋板/箱涵變更為鋼波紋管涵的設計變更批復結果對比分析，同樣孔徑的鋼波紋管涵洞每延米造價與鋼筋混凝土蓋板涵工程造價相近。

3.3 地基適應能力強

霍永高速公路西段混凝土蓋板施工地基基礎承載力要求不低于250 kPa，對于霍永高速公路西段全線濕陷性黃土分布較廣的現狀而言，意味著許多涵洞不得不采用強夯、重夯，換填碎石甚至樁基處理等方式進行地基加固處理。而采用鋼波紋管涵洞對地基承載力等要求則相對較低。

3.4 提高行車舒適性

一般鋼筋混凝土涵洞的基礎為混凝土或片石混凝土等剛性基礎，其沉降量和路基的沉降量存在差異，而波紋管的基礎采用柔性材料沙礫或碎石土，其屬于無基礎涵洞，建成后和路基的沉降是一致的，且鋼波紋管涵是一種柔性結構，波紋管在結構上具有橫向補償位移的優良特性，可充分發揮鋼材抗拉性能強、變形性能優越的特點，具有較大的抗變形和抗沉降能力，能有效解決由于鋼筋混凝土涵洞的沉降與路基的沉降不一致的問題，因而避免了橋臺跳車現象，提高了行車的舒適度與安全性。

3.5 生態環保效果好

鋼波紋管涵主體全部用鋼材制成，只是構造物的洞口部分使用一些片石等建材，采用鋼波紋管減少或根本舍棄了常規建材，如水泥、黃砂、石子、木材的使用，對周圍施工環境的破壞少，有利于生態環境保護。

4 結語

鋼波紋管涵具有卓越的路用性能，尤其是對地基要求低、施工簡易、能快速安裝、大大縮短工期是普通涵管無法相比的。相信隨著中國基礎設施建設的加快發展和交通工程的需要，波紋鋼管涵洞將在中國的公路工程建設中得到更廣泛的推廣運用。

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